<p>當(dāng)植物進(jìn)行有性繁殖時，花粉會落在雌蕊的柱頭上萌發(fā)，并迅速長出花粉管，通過花柱將精子細(xì)胞輸送到胚珠。花粉管是目前已知生長速度最快的植物細(xì)胞，例如玉米花粉管的生長速度可達(dá)每秒2.8微米，百合花粉管的生長速度也可達(dá)每秒0.2至0.3微米。如此快速的生長過程必然消耗巨大能量，期間需持續(xù)高效合成質(zhì)膜和細(xì)胞壁，而這與質(zhì)體、細(xì)胞質(zhì)和線粒體之間的能量轉(zhuǎn)移協(xié)調(diào)作用緊密相關(guān)。問題是，維持花粉管快速生長的能量從何而來？</p> <p>&nbsp;</p> <p>由香港大學(xué)（港大）生物科學(xué)學(xué)院林文量博士帶領(lǐng)的研究團隊，開發(fā)了一種新型生物傳感器，用以監(jiān)測活體植物細(xì)胞和細(xì)胞器中能量分子的實時動態(tài)變化，并應(yīng)用于花粉管中，揭示了擬南芥（Arabidopsis thaliana）花粉管如何獲得能量以維持其快速生長的代謝通路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>與葉肉細(xì)胞不同，花粉管不能進(jìn)行光合作用以產(chǎn)生能量。它們主要依靠花柱供應(yīng)的糖分來產(chǎn)生能量分子，如三磷酸腺苷（ATP）、磷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）等以支持花粉管的生長。脂肪酸（FA）是花粉管細(xì)胞膜的重要組成成分，并在花粉管質(zhì)體中合成；花粉管質(zhì)體是一種不含葉綠素的葉綠體前體細(xì)胞器?；ǚ酃苜|(zhì)體中FA的合成消耗大量的ATP、NADPH、NADH 和乙酰輔酶A。雖然花粉管質(zhì)體里面有多種可能的途徑為FA合成提供ATP、NADPH、NADH 和乙酰輔酶A，但由于花粉管尺寸過小以及缺乏觀測ATP、NADPH 和NADH動態(tài)變化的合適工具，科學(xué)界對于花粉管質(zhì)體和細(xì)胞質(zhì)中的ATP、NADPH和NADH的代謝機制并不清楚。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由林文量博士帶領(lǐng)的團隊成功開發(fā)出第二代測量NADPH和NADH/NAD+比值的熒光蛋白傳感器，并將這些生物傳感器引入擬南芥花粉管的質(zhì)體和胞質(zhì)中，從而揭示了花粉管生長過程中的生物能量學(xué)。研究成果已在《自然通訊》雜志上發(fā)表。</p> <p>&nbsp;</p> <p>團隊成員運用特定藥物處理萌發(fā)中的花粉管，證明線粒體呼吸（mitochondrial respiration）是擬南芥花粉管細(xì)胞質(zhì)ATP的主要來源。質(zhì)體ATP主要由質(zhì)體糖酵解（plastid glycolysis）提供，也可以通過質(zhì)體膜上的核苷酸轉(zhuǎn)運蛋白（NTT）從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)運。至于質(zhì)體NADPH的供應(yīng)，相較于氧化戊糖磷酸途徑（OPPP）而言，質(zhì)體蘋果酸酶NADP-ME4則是產(chǎn)生NADPH更為重要的途徑。</p> <p>&nbsp;</p> <p>盡管煙草花粉管中的厭氧呼吸和丙酮酸脫氫酶（PDH）旁路被認(rèn)為對質(zhì)體FA合成提供乙酰輔酶A，但這些途徑在擬南芥花粉管生長中卻并不重要。相反，質(zhì)體糖酵解是脂肪酸合成中底物乙酰輔酶A更重要的來源。</p> <p>&nbsp;</p> <p>而質(zhì)體中NADH和NAD+的轉(zhuǎn)化更要復(fù)雜得多。質(zhì)體糖酵解和質(zhì)體PDH途徑產(chǎn)生大量NADH，然后通過NAD-蘋果酸脫氫酶（NAD-MDH）將其轉(zhuǎn)化回NAD+，以提供足夠的NAD+讓質(zhì)體糖酵解過程得以維持，從而實現(xiàn)進(jìn)一步的FA合成。</p> <p>&nbsp;</p> <p>以上發(fā)現(xiàn)不僅提供了更實用的生物傳感器來測量活體植物細(xì)胞及細(xì)胞器中ATP、NADPH、NADH/NAD+的實時動態(tài)變化，也揭示了在花粉管質(zhì)體中為FA合成提供ATP、NADPH、NADH和乙酰輔酶A的途徑。簡而言之，研究人員通過使用基因編碼的生物傳感器來揭示擬南芥花粉管如何獲得能量以維持其快速生長。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究的第一作者、博士生劉金紅表示：&ldquo;我們開發(fā)的熒光蛋白傳感器能解決植物生物能學(xué)中的一些關(guān)鍵問題。我們很高興在2022年運用這項新技術(shù)在《自然通訊》上發(fā)表了兩篇文章（注一）&rdquo;。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>